WO2018177922A1 - Mikromechanischer drucksensor sowie verfahren zur herstellung des mikromechanischen drucksensors - Google Patents

Mikromechanischer drucksensor sowie verfahren zur herstellung des mikromechanischen drucksensors Download PDF

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WO2018177922A1
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anchoring
micromechanical
micromechanical pressure
silicon substrate
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PCT/EP2018/057433
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Arne Dannenberg
Tobias HENN
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Micromechanical pressure sensor and method for producing the micromechanical pressure sensor are Micromechanical pressure sensor and method for producing the micromechanical pressure sensor
  • the present invention relates to a micromechanical pressure sensor, a method for producing the micromechanical pressure sensor.
  • Micromechanical pressure sensors in which a pressure difference in
  • Pressure sensor can be omitted.
  • the MEMS together with an ASIC and the substrate are soldered in such a way that the molding compound on a side of the MEMS facing away from the ASIC has a mold projection that fixes the M EMS on the ASIC.
  • the present invention discloses a micromechanical pressure sensor having the features of patent claim 1 and a micromechanical one Pressure sensor arrangement with the features of claim 8 and a method for producing such a pressure sensor according to claim 12. Accordingly, there are provided: a micromechanical pressure sensor, comprising a formed in a silicon substrate in a pressure-sensitive region sensor core with a
  • Silicon substrate is formed; one between a back surface of the
  • Micromechanical pressure sensor according to one of the preceding claims; an ASIC, wherein the ASIC is bonded in the anchoring region to a front surface of the micromechanical pressure sensor opposite the back surface; a package substrate and mold, wherein the micromechanical pressure sensor and the ASIC are common
  • a method for producing a micromechanical pressure sensor comprising the steps of: providing a MEMS wafer with a
  • Anchoring recess is formed; and embossing the MEMS wafer together with the further wafer using a mold, wherein the molding compound engages in the anchoring recess and thus interlocking the molding compound with the MEMS wafer.
  • the finding underlying the present invention is that, in the case of stress-decoupled micromechanical pressure sensor arrangements with a mold supernatant on a rear surface of a
  • Pressure sensor arrangement can lead to a delamination of Moldmount, which can lead to failures in the micromechanical pressure sensor assemblies.
  • Pressure sensor assembly to be designed so that the Moldüberstand adheres better to the micromechanical pressure sensor and so delamination is prevented.
  • anchoring recesses are provided on a rear surface of the micromechanical pressure sensor, which increase the adhesion of the molding compound on the back surface. Additional costs are not incurred by the formation of the anchoring recesses, since the formation of the anchoring recesses in the same step as the formation of access holes for stress isolation of the micromechanical
  • An embodiment comprises at least two anchoring recesses.
  • adjacent anchoring recesses are interconnected within the silicon substrate. Bonding of the anchoring recesses within the silicon substrate increases adhesion between the micromechanical pressure sensor and the mold.
  • adjacent anchoring recesses are not interconnected within the silicon substrate, thereby increasing mechanical stability of the micromechanical pressure sensor.
  • the anchoring recess from the back surface extends deeper into the silicon substrate than the second cavity, allowing more molding compound to flow into the anchoring recesses, which in turn increases the adhesion between the micromechanical pressure sensor and the molding compound.
  • the anchoring recesses extend in depth only into a region between the back surface and the second cavity. For example, they form depressions on the rear surface. These shallow cavities rough the back surface and thus increase adhesion between the micromechanical pressure sensor and the molding compound against a smooth back surface, thus preventing peal-off of the mold from the back surface.
  • the anchoring recess is formed as a collecting trench surrounding the pressure-sensitive area, whereby flow of the mold into the pressure-sensitive area and thus into the access holes is prevented.
  • a micromechanical pressure sensor arrangement is formed with a collecting trench surrounding the pressure-sensitive area and a film cover is provided on the rear-side surface. The film cover and collecting trench prevent molding compound from flowing into the access holes, and the film cover also mechanically protects the back surface.
  • the molding compound is an injection molding, which on the back surface at least partially in the anchoring area
  • This embodiment achieves improved sensitivity.
  • the anchoring recess extends into the ASIC, this further increases the adhesion of the molding compound on the micromechanical sensor.
  • embossing involves applying a film cover to the backside surface of the MEMS wafer.
  • a film cover By using a film cover, it is no longer necessary to provide an individual stamp for each sensor unit during molding. Above this, a film mum needs a lower one
  • Figure 1 is a schematic representation of a micromechanical pressure sensor according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a schematic representation of a micromechanical pressure sensor according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a schematic representation of a micromechanical pressure sensor according to a third embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a schematic representation of a micromechanical
  • Figure 5 is a schematic representation of a plan view of a back surface of a micromechanical pressure sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic representation of a micromechanical pressure sensor according to the fifth embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a schematic representation of a micromechanical pressure sensor according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a basic flow diagram of a method for producing a micromechanical pressure sensor arrangement according to one of the preceding embodiments.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a micromechanical pressure sensor 10, which is bonded to a further wafer 30 via bonding regions 20 on a metallization 15.
  • the additional wafer 30 here is an ASIC wafer with a electronic functional layer 32 and a substrate layer 31, but may alternatively be a passive substrate wafer.
  • the micromechanical pressure sensor 10 has a silicon substrate 11 in which a sensor core is formed in a pressure-sensitive region A.
  • Sensor core comprises a sensor membrane 12, and one at the
  • micromechanical pressure sensor in the pressure-sensitive area A has a second cavity 18 formed between a back surface and the sensor core, wherein access holes 17 originating from the back surface are fluidly connected to the sensor membrane 12 via passages 14 formed around substrate regions 19.
  • the micromechanical pressure sensor 10 has an anchoring area B enclosing the pressure-sensitive area.
  • Anchoring area B anchoring recesses 16 are formed.
  • the anchoring recesses 16 may be e.g. from an upper, e.g. linear portion 16A and a lower chamber portion 16B.
  • Diameter d of the linear portion 16A of the anchoring recesses 16 is selected so that a molding compound 50 can flow into the linear portions 16A.
  • the diameter d is, for example, greater than 8 ⁇ . If the diameter d chosen to be greater than a diameter of the access holes 17, then the anchoring recesses 16 are trimmed deeper than the access holes 17, this leads to a better toothing of the molding compound 50 with the silicon substrate 11. On the other hand, the diameter d may also not be too large, since the anchoring recesses 16 otherwise etch too quickly and so too little process time for the etching
  • Access holes 17 would be available.
  • a distance a between the anchoring recesses 16 may be selected such that the chamber portions 16B forming in a step of clearing to form the second cavity 18 become more adjacent
  • the molding compound 50 can be provided with beads of silicon oxide as the filling compound for matching an expansion coefficient of the molding compound 50 to the expansion coefficient of the silicon substrate 11 of the micromechanical pressure sensor 10.
  • the distance a between the anchoring recesses 16 can also be chosen so that the chamber sections 16B during
  • FIG. 2 shows a micromechanical pressure sensor 10 according to a second embodiment, in which the anchoring recesses 16 extend deeper into the
  • Silicon substrate 11 extend as the second cavity 18.
  • the distance a between adjacent anchoring recesses 16 is selected so that the chamber portions 16B of the adjacent
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the micromechanical pressure sensor 10.
  • a diameter d of the upper portions 16A is selected to be either small enough that the upper portions 16A reach only very shallowly into the silicon substrate and are completely removed in a backside thinning of the silicon substrate 11, or if a thinning is not performed, the chamber sections 16B are formed so that in a finished
  • Micromechanical pressure sensor according to the third embodiment, only the chamber portions 16 B are formed on the back surface of the silicon substrate 11 and there, for example. form hemispherical hollows. The resulting back surface thus provides a roughened
  • the roughened surface embodiment allows for better adhesion of the mold 50 to a smooth back surface.
  • the third embodiment is opposite to the first and the second
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a micromechanical pressure sensor arrangement 100 according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the micromechanical pressure sensor arrangement has, in addition to the micromechanical pressure sensor 10, an ASIC 30 which is arranged on a package substrate 60.
  • a wirebond wire 40 is connected to a contact (not shown) on the package substrate 60.
  • the micromechanical pressure sensor 10 may be any of the micromechanical
  • the molding compound 50 is by means of anchoring recesses 16 with the
  • micromechanical pressure sensor 10 toothed.
  • the toothing prevents a peal-off of the mold 50 on the rear surface of the micromechanical pressure sensor 10.
  • Anchoring wells 16 also extend into the ASIC 30.
  • Figure 5 shows a plan view of a back surface of a
  • Micromechanical pressure sensor 10 according to a fifth embodiment. In contrast to the first three embodiments, the
  • Anchoring wells 16 not as holes, but as encircling
  • Collecting trenches 16 formed.
  • two circumferential collecting trenches 16 are formed in a direction from the inside to the outside. Just as well, however, only one collecting trench 16 can be formed.
  • FIG. 6 shows a section through a micromechanical pressure sensor arrangement according to a sixth embodiment with a micromechanical one
  • Pressure sensor 10 according to the fourth embodiment. On the back
  • a film cover 55 is pressed. After the film cover 55 has been pressed against the back surface, the micromechanical pressure sensor assembly 100 is molded with a molding compound 50. In this case, the film cover 55 prevents wetting of the rear surface with the molding compound 50. Locally, it may come during grinding with the molding compound 50 at the edge of the micromechanical pressure sensor 10 to a lifting of the film cover 55, wherein the molding compound 50 then in the anchoring area in the
  • Anchoring wells 16 flows, which is another flow of molding compound, for example to prevent the access holes, as shown in Figure 7.
  • the film cover 55 can be removed.
  • the film cover 55 is a waterproof, vapor-permeable membrane, such as e.g. GoreTex or DuPont TM Tyvek® Supro, can provide the film coverage
  • FIG. 8 shows a basic flow diagram of a method for producing a micromechanical pressure sensor arrangement 100 according to one of the preceding embodiments.
  • a pressure-sensitive region of the MEMS wafer sensor core provided with a sensor membrane, wherein on the sensor membrane, a first cavity is formed.
  • a further wafer is provided, wherein the further wafer is, for example, an ASIC wafer 30.
  • the MEMS wafer is bonded to the further wafer on a front-side surface of the MEMS wafer in an anchoring region of the MEMS wafer enclosing the pressure-sensitive region.
  • the MEMS wafer is from one of the front side
  • Etched surface opposite rear surface of the MEMS wafer 20 wherein the etching a second cavity is formed in the pressure-sensitive area, which frees the sensor core, and wherein in the
  • Anchoring area at least one anchoring recess 16 is formed.
  • the etching process according to step 220 may be, for example, a two-stage etching process, in which first in an anisotropic etching process the linear upper sections 16A and subsequently in an isotropic etching process Chamber sections 16B are formed. Alternatively, however, it is also possible to use a single-stage process in which trapezoidal depressions are formed, which then form the second cavity 18 at a sufficient depth.
  • a step 230 the MEMS wafer is molded together with the further wafer and a package substrate using a mold, wherein the molding compound engages in the anchoring recesses and thus meshes the molding compound with the MEMS wafer.
  • the step 230 may additionally include applying a film cover 55 on the back surface of the MEMS wafer, wherein the film cover 55 prevents flow of the molding compound 50 into the access holes 17 during the step 230.
  • the step 230 may be performed by using a punch, in which case the punch applied to the back surface in the pressure-sensitive region of the MEMS wafer prevents flow of the molding compound into the access holes 17.

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Abstract

Mikromechanischer Drucksensor (10), aufweisend einen in einem Siliziumsubstrat (11) in einem drucksensitiven Bereich (A) ausgebildeten Sensorkern mit einer Sensormembran (12), wobei an der Sensormembran (12) eine erste Kavität (13) in dem Siliziumsubstrat (11) ausgebildet ist; eine zwischen einer rückseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrat (11) und dem Sensorkern ausgebildete zweite Kavität (18), wobei von der rückseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrats (11) ausgehende Zugangslöcher (17) mit der zweiten Kavität (18) verbunden sind; und mindestens eine von der rückseitigen Oberfläche ausgehende Verankerungsvertiefung (16) in einem den drucksensitiven Bereich umschließenden Verankerungsbereich (B) des Siliziumsubstrats (11) ausgebildet ist, wobei die Verankerungsvertiefung (16) so ausgebildet ist, dass eine Moldmasse in die Verankerungsvertiefung (16) fließen kann.

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanischer Drucksensor sowie Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Drucksensors
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor ein Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Drucksensors.
Stand der Technik
Mikromechanische Drucksensoren, bei denen eine Druckdifferenz in
Abhängigkeit von einer Verformung einer Sensormembran gemessen wird, sind beispielsweise aus DE 10 2004 006 197 AI bekannt.
Neuerdings findet für die Sensorkerne solcher Drucksensoren eine
Stressentkopplung im M EMS statt, die den MEMS vom Stress des Packages und des PCBs entkoppelt. Wird hier eine geeignete Prozessführung mit nur kleinen Zugangslöchern auf einer Substratrückseite gewählt, so wird eine ganzflächige Öffnung der Substratrückseite vermieden, und eine Verkappung des
Drucksensors kann unterbleiben.
Die DE 10 2015 116 353 AI zeigt beispielsweise einen mikrointegrierten gekapselten MEMS mit mechanischer Entkopplung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Beim Molden eines solchen MEMS wird der MEMS zusammen mit einem ASIC und dem Substrat so eingemoldet, dass die Moldmasse auf einer vom ASIC abgewandten Seite des MEMS einen Moldüberstand aufweist, der den M EMS auf dem ASIC fixiert.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart einen mikromechanischen Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine mikromechanische Drucksensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Drucksensors gemäß Patentanspruch 12. Demgemäß sind vorgesehen: ein mikromechanischer Drucksensor, aufweisend einen in einem Siliziumsubstrat in einem drucksensitiven Bereich ausgebildeten Sensorkern mit einer
Sensormembran, wobei an der Sensormembran eine erste Kavität in dem
Siliziumsubstrat ausgebildet ist; eine zwischen einer rückseitigen Oberfläche des
Siliziumsubstrat und dem Sensorkern ausgebildete zweite Kavität, wobei von der rückseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrats ausgehende Zugangslöcher mit der zweiten Kavität verbunden sind; und mindestens eine von der rückseitigen Oberfläche ausgehende Verankerungsvertiefung in einem den drucksensitiven Bereich umschließenden Verankerungsbereich des Siliziumsubstrats ausgebildet ist, wobei die Verankerungsvertiefung so ausgebildet ist, dass eine Moldmasse in die Verankerungsvertiefung fließen kann; eine mikromechanischer Drucksensoranordnung umfassend einen
mikromechanischen Drucksensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; einen ASIC, wobei der ASIC in dem Verankerungsbereich an eine der rückseitigen Oberfläche gegenüberliegenden vorderseitigen Oberfläche des mikromechanischen Drucksensor gebondet ist; ein Package-Substrat und Mold, wobei der mikromechanische Drucksensor und der ASIC gemeinsam
eingemoldet sind und die Moldmasse mittels der Verankerungsvertiefung mit dem mikromechanischen Drucksensor verzahnt ist; ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors, aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines MEMS-Wafers mit einem
Siliziumsubstrat und einem in dem Siliziumsubstrat in einem drucksensitiven
Bereich des MEMS-Wafers ausgebildeten Sensorkern mit einer Sensormembran, wobei an der Sensormembran eine erste Kavität ausgebildet ist; Bereitstellen eines weiteren Wafers; Bonden des MEMS-Wafers mit dem weiteren Wafer an einer vorderseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers in einem den drucksensitiven Bereich umschließenden Verankerungsbereich des MEMS-Wafers; Ätzen des MEMS-Wafers von einer der vorderseitigen Oberfläche gegenüberliegenden rückseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers, wobei beim Ätzen eine zweite Kavität in dem drucksensitiven Bereich ausgebildet wird, die den Sensorkern freistellt, und wobei in dem Verankerungsbereich mindestens eine
Verankerungsvertiefung ausgebildet wird; und Einmolden des MEMS-Wafers gemeinsam mit dem weiteren Wafer unter Verwendung eines Molds, wobei die Moldmasse in die Verankerungsvertiefung greift und so die Moldmasse mit dem MEMS-Wafer verzahnt.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass es bei stressentkoppelten mikromechanischen Drucksensoranordnungen mit einem Moldüberstand auf einer rückseitigen Oberfläche eines
mikromechanischen Drucksensors der mikromechanischen
Drucksensoranordnung zu einer Delamination des Moldüberstands kommen kann, was zu Ausfällen bei den mikromechanischen Drucksensoranordnungen führen kann.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine mikromechanische
Drucksensoranordnung so zu gestalten, dass der Moldüberstand besser an dem mikromechanischen Drucksensor haftet und so eine Delamination verhindert wird. Dazu werden auf einer rückseitigen Oberfläche des mikromechanischen Drucksensors Verankerungsvertiefungen vorgesehen, die die Haftung des Moldmasse auf der rückseitigen Oberfläche erhöhen. Zusätzlichen Kosten entstehen durch das Ausbilden der Verankerungsvertiefungen nicht, da das Ausbilden der Verankerungsvertiefungen im gleichen Schritt wie das Ausbilden von Zugangslöchern zur Stressentkopplung der mikromechanischen
Drucksensoren erfolgt.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren. Eine Ausführungsform umfasst mindestens zwei Verankerungsvertiefungen. Durch die Ausbildung einer Vielzahl von Verankerungsvertiefungen wird eine Verzahnung des Molds mit der rückseitigen Oberfläche verbessert, außerdem verhindern viele Verankerungsvertiefungen ein Fließen des Molds in die
Zugangslöcher.
In einer weiteren Ausführungsform sind benachbarte Verankerungsvertiefungen innerhalb des Siliziumsubstrats miteinander verbunden. Eine Verbindung der Verankerungsvertiefungen innerhalb des Siliziumsubstrats erhöht eine Haftung zwischen dem mikromechanischen Drucksensor und dem Mold.
In einer weiteren Ausführungsform sind benachbarte Verankerungsvertiefungen innerhalb des Siliziumsubstrats nicht miteinander verbunden, wodurch eine mechanische Stabilität des mikromechanischen Drucksensors erhöht wird.
In einer weiteren Ausführungsform reicht die Verankerungsvertiefung von der rückseitigen Oberfläche tiefer in das Siliziumsubstrat als die zweite Kavität, wodurch mehr Moldmasse in die Verankerungsvertiefungen fließen kann, was wiederum die Haftung zwischen dem mikromechanischen Drucksensor und dem Moldmasse erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die Verankerungsvertiefungen in der Tiefe lediglich bis in einen Bereich zwischen der rückseitigen Oberfläche und der zweiten Kavität. Beispielsweise bilden sie an der rückseitigen Oberfläche Mulden. Diese oberflächlich gebildet Mulden rauen die rückseitige Oberfläche an und erhöhen so eine Haftung zwischen dem mikromechanischen Drucksensor und dem Moldmasse gegenüber einer glatten rückseitigen Oberflächen und verhindern so ein Peal-Off des Molds von der rückseitigen Oberfläche. In einer weiteren Ausführungsform ist die Verankerungsvertiefung als um den drucksensitiven Bereich umlaufender Auffanggraben ausgebildet, wodurch ein Fließen des Molds in den drucksensitiven Bereich und damit in die Zuganglöcher verhindert wird. In einer weiteren Ausführungsform ist eine mikromechanische Drucksensoranordnung mit einem um den drucksensitiven Bereich umlaufenden Auffanggraben ausgebildet und auf der rückseitigen Oberfläche ist eine Film- Abdeckung vorgesehen. Die Film-Abdeckung und der Auffanggraben verhindert ein Fließen der Moldmasse in die Zugangslöcher, außerdem schützt die Film- Abdeckung die rückseitige Oberfläche mechanisch.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Moldmasse ein Spritzguss, der auf der rückseitigen Oberfläche zumindest teilweise im Verankerungsbereich
vorgesehen ist und in dem drucksensitiven Bereich zumindest teilweise fehlt. Diese Ausführungsform erreicht eine verbesserte Sensitivität.
In einer weiteren Ausführungsform reicht die Verankerungsvertiefung bis in den ASIC, dies erhöht die Haftung der Moldmasse auf dem mikromechanischen Sensor weiter.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Einmolden ein Aufbringen einer Film-Abdeckung auf der rückseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers beinhalten. Durch die Verwendung einer Film-Abdeckung ist es nicht mehr notwendig, während des Moldens für jede Sensor-Einheit einen individuellen Stempel zur Verfügung zu stellen. Darüber benötigt ein Filmmolden einen niedrigeren
Anpressdruck, weshalb ein Risiko eines Zerbrechens eines Gitters, das von den Zugangslöchern gebildet wird, verhindert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Drucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figur 3 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Drucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer mikromechanischen
Drucksensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine rückseitige Oberfläche eines mikromechanischen Drucksensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 6 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Drucksensors gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 7 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Drucksensors gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figur 8 ein prinzipielles Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Drucksensoranordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere
Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines mikromechanischen Drucksensors 10, der über Bondbereiche 20 an einer Metallisierung 15 auf einen weiteren Wafer 30 gebondet ist. Der weitere Wafer 30 ist hier ein ASIC-Wafer mit einer elektronischen Funktionsschicht 32 und einer Substratschicht 31, kann alternativ aber auch ein passiver Substratwafer sein.
Der mikromechanische Drucksensor 10 weist ein Siliziumsubstrat 11 auf, in dem in einem drucksensitiven Bereich A ein Sensorkern ausgebildet ist. Der
Sensorkern umfasst eine Sensormembran 12, sowie eine an der
Sensormembran 12 ausgebildete erste Kavität 13. Weiter weist der
mikromechanische Drucksensor im drucksensitiven Bereich A eine zwischen einer rückseitigen Oberfläche und dem Sensorkern ausgebildete zweite Kavität 18 auf, wobei von der rückseitigen Oberfläche ausgehende Zugangslöcher 17 über Durchgänge 14, die um Substratbereiche 19 herum gebildet sind, mit der Sensormembran 12 fluidmäßig verbunden sind.
Weiter weist der mikromechanische Drucksensor 10 einen den drucksensitiven Bereich umschließenden Verankerungsbereich B auf. In dem
Verankerungsbereich B sind Verankerungsvertiefungen 16 ausgebildet. Die Verankerungsvertiefungen 16 können z.B. aus einem oberen, z.B. linearen Abschnitt 16A und einem unteren Kammerabschnitt 16B bestehen. Ein
Durchmesser d des linearen Abschnitts 16A der Verankerungsvertiefungen 16 wird so gewählt, dass eine Moldmasse 50 in die linearen Abschnitte 16A hineinfließen kann. Der Durchmesser d ist beispielsweise größer als 8 μηη. Wird der Durchmesser d so gewählt, dass er größer ist als ein Durchmesser der Zugangslöcher 17, dann werden die Verankerungsvertiefungen 16 tiefer getrencht als die Zugangslöcher 17, dies führt zu einer besseren Verzahnung der Moldmasse 50 mit dem Siliziumsubstrat 11. Andererseits darf der Durchmesser d aber auch nicht zu groß gewählt werden, da die Verankerungsvertiefungen 16 sonst zu schnell ätzen und so zu wenig Prozesszeit für das Ätzen der
Zugangslöcher 17 zur Verfügung stehen würde.
Ein Abstand a zwischen den Verankerungsvertiefungen 16 kann so gewählt werden, dass sich die in einem Freistellungsschritt zum Ausbilden der zweiten Kavität 18 bildenden Kammerabschnitte 16B benachbarter
Verankerungsvertiefungen 16A miteinander verbinden. So kann eine größere Menge an Moldmasse 50 in die Verankerungsvertiefungen 16 hineinfließen. Dies führt zu einer Erhöhung einer Haftung zwischen der Moldmasse 50 und dem mikromechanischen Drucksensor 10, während andererseits eine mechanische Stabilität des mikromechanischen Drucksensors 10 sinkt. Die Moldmasse 50 kann zum Angleichen eines Ausdehnungskoeffizienten der Moldmasse 50 an den Ausdehnungskoeffizienten des Siliziumsubstrats 11 des mikromechanischen Drucksensors 10 mit Kügelchen aus Siliziumoxid als Füllmasse versehen werden.
Alternativ kann der Abstand a zwischen den Verankerungsvertiefungen 16 auch so gewählt werden, dass die Kammerabschnitte 16B sich beim
Freistellungsschritt nicht verbinden. Dies erhöht eine mechanische Stabilität des Siliziumsubstrats 11 des mikromechanischen Drucksensors 10.
Figur 2 zeigt einen mikromechanischen Drucksensor 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform, in dem die Verankerungsvertiefungen 16 tiefer in das
Siliziumsubstrat 11 reichen als die zweite Kavität 18. Darüber hinaus ist der Abstand a zwischen benachbarten Verankerungsvertiefungen 16 so gewählt, dass sich die Kammerabschnitte 16B der benachbarten
Verankerungsvertiefungen 16 nicht miteinander verbinden.
Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors 10. Hier wird ein Durchmesser d der oberen Abschnitte 16A entweder so klein gewählt, dass die oberen Abschnitte 16A nur sehr flach in das Siliziumsubstrat reichen und bei einem rückseitigen Dünnen des Siliziumsubstrats 11 vollständig entfernt werden, oder, falls ein Dünnen nicht durchgeführt wird, werden die Kammerabschnitte 16B ausgebildet, so dass in einem fertigen
mikromechanischen Drucksensor gemäß der dritten Ausführungsform lediglich die Kammerabschnitte 16B an der rückseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrats 11 ausgebildet sind und dort z.B. halbkugelförmige Mulden bilden. Die sich daraus ausbildende rückseitige Oberfläche stellt somit eine angeraute
Oberfläche mit einer Vielzahl oberflächlichen Mulden dar. Die dritte
Ausführungsform mit der angerauten Oberfläche erlaubt eine bessere Haftung des Molds 50 gegenüber einer glatten rückseitigen Oberfläche. Darüber hinaus weist die dritte Ausführungsform gegenüber der ersten und der zweiten
Ausführungsform eine erhöhte mechanische Stabilität auf. Figur 4 zeigt schematische Darstellung einer mikromechanische Drucksensoranordnung 100 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die mikromechanische Drucksensoranordnung weist neben dem mikromechanischen Drucksensor 10 einen ASIC 30 auf, der auf einem Packagesubstrat 60 angeordnet ist. Ein Wirebonddraht 40 ist mit einem Kontakt (nicht gezeichnet) auf dem Packagesubstrat 60 verbunden. Der mikromechanische Drucksensor 10 kann jeder der mikromechanischen
Drucksensoren 10 der vorherigen ersten bis dritten Ausführungsformen sein. Die Moldmasse 50 ist mittels der Verankerungsvertiefungen 16 mit dem
mikromechanischen Drucksensor 10 verzahnt. Die Verzahnung verhindert ein Peal-Off des Molds 50 an der rückseitigen Oberfläche des mikromechanischen Drucksensors 10. Alternativ zur Ausführungsform in Figur 4 können die
Verankerungsvertiefungen 16 auch bis in den ASIC 30 reichen.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf eine rückseitige Oberfläche eines
mikromechanischen Drucksensors 10 gemäß einer fünften Ausführungsform. Im Gegensatz zu den ersten drei Ausführungsformen sind die
Verankerungsvertiefungen 16 nicht als Löcher, sondern als umlaufende
Auffanggräben 16 ausgebildet. In der dargestellten Ausführungsform sind in einer Richtung von innen nach außen zwei umlaufende Auffanggräben 16 ausgebildet. Genauso gut kann aber auch nur ein Auffanggraben 16 ausgebildet sein.
Figur 6 zeigt einen Schnitt durch eine mikromechanische Drucksensoranordnung gemäß einer sechsten Ausführungsform mit einem mikromechanischen
Drucksensor 10 gemäß der vierten Ausführungsform. Auf die rückseitige
Oberfläche des mikromechanischen Drucksensors wird eine Film-Abdeckung 55 gepresst. Nachdem die Film-Abdeckung 55 an die rückseitige Oberfläche gepresst wurde, wird die mikromechanische Drucksensoranordnung 100 mit einer Moldmasse 50 eingemoldet. Dabei verhindert die Film-Abdeckung 55 ein Benetzen der rückseitigen Oberfläche mit dem Moldmasse 50. Lokal kann es beim Einmolden mit der Moldmasse 50 am Rand des mikromechanischen Drucksensors 10 zu einem Anheben der Film-Abdeckung 55 kommen, wobei die Moldmasse 50 dann in dem Verankerungsbereich in die
Verankerungsvertiefungen 16 fließt, die ein weiteres Fließen der Moldmasse z.B. bis zu den Zugangslöchern verhindern, wie in Figur 7 gezeigt. Nach dem
Moldprozess kann die Film-Abdeckung 55 entfernt werden.
Ist die Film-Abdeckung 55 eine wasserdichte, diffusionsoffene Membran, wie z.B. GoreTex oder Du Pont™ Tyvek ® Supro, kann die Film-Abdeckung
vorteilhafterweise nach dem Molden über den Zugangslöchern 17 verbleiben, so dass sie diese wasserdicht abdeckt, dabei aber weiterhin einen
Luft(druck)austausch durch Zugangslöcher 17 und durch die zweite Kaverne 18 hin zur Sensormembran 12 gewährleistet.
Alternativ zur sechsten Ausführungsform kann ein mikromechanischer
Drucksensor 10 wie in Figur 4 gezeigt ohne Verwendung einer Film-Abdeckung und unter Verwendung eines Stempel eingemoldet werden.
Figur 8 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Drucksensoranordnung 100 gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen. In einem Schritt 200 wird ein MEMS-Wafer mit einem Siliziumsubstrat und einem in dem Siliziumsubstrat in einem
drucksensitiven Bereich des MEMS-Wafers ausgebildeten Sensorkern mit einer Sensormembran bereitgestellt, wobei an der Sensormembran eine erste Kavität ausgebildet ist. In einem Schritt 210 wird ein weiterer Wafer bereitgestellt, wobei der weitere Wafer beispielsweise ein ASIC-Wafer 30 ist.
In einem Schritt 210 wird der MEMS-Wafer an einer vorderseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers in einem den drucksensitiven Bereich umschließenden Verankerungsbereich des MEMS-Wafers an den weiteren Wafer gebondet.
In einem Schritt 220 wird der MEMS-Wafer von einer der vorderseitigen
Oberfläche gegenüberliegenden rückseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers 20 geätzt, wobei beim Ätzen eine zweite Kavität in dem drucksensitiven Bereich ausgebildet wird, die den Sensorkern freistellt, und wobei in dem
Verankerungsbereich mindestens eine Verankerungsvertiefung 16 ausgebildet wird. Der Ätzprozess gemäß Schritt 220 kann beispielsweise ein zweistufiger Ätzprozess sein, in dem zunächst in einem anisotropen Ätzprozess die linearen oberen Abschnitte 16A und anschließend in einem isotropen Ätzprozess die Kammerabschnitte 16B gebildet werden. Alternativ kann aber auch ein einstufiges Verfahren verwendet werden, in denen trapezförmige Vertiefungen gebildet werden, die dann in ausreichender Tiefe die zweite Kavität 18 bilden.
In einem Schritt 230 wird der MEMS-Wafer gemeinsam mit dem weiteren Wafer und einem Packagesubstrat unter Verwendung eines Molds eingemoldet, wobei die Moldmasse in die Verankerungsvertiefungen greift und so die Moldmasse mit dem MEMS-Wafer verzahnt. Der Schritt 230 kann zusätzlich noch ein Aufbringen einer Film-Abdeckung 55 auf der rückseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers beinhalten, wobei die Film-Abdeckung 55 während des Schritts 230 ein Fließen der Moldmasse 50 in die Zuganglöcher 17 verhindert. Alternativ kann der Schritt 230 unter Verwendung eines Stempels durchgeführt werden, in diesem Fall verhindert der in dem drucksensitiven Bereich des MEMS-Wafers an der rückseitigen Oberfläche anliegender Stempel ein Fließen der Moldmasse in die Zugangslöcher 17.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1. Mikromechanischer Drucksensor (10), aufweisend:
einen in einem Siliziumsubstrat (11) in einem drucksensitiven Bereich (A) ausgebildeten Sensorkern mit einer Sensormembran (12), wobei an der
Sensormembran (12) eine erste Kavität (13) in dem Siliziumsubstrat (11) ausgebildet ist;
eine zwischen einer rückseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrat (11) und dem Sensorkern ausgebildete zweite Kavität (18), wobei von der rückseitigen
Oberfläche des Siliziumsubstrats (11) ausgehende Zugangslöcher (17) mit der zweiten Kavität (18) verbunden sind; und
mindestens eine von der rückseitigen Oberfläche ausgehende
Verankerungsvertiefung (16) in einem den drucksensitiven Bereich
umschließenden Verankerungsbereich (B) des Siliziumsubstrats (11) ausgebildet ist, wobei die Verankerungsvertiefung (16) so ausgebildet ist, dass eine
Moldmasse in die Verankerungsvertiefung (16) fließen kann.
2. Mikromechanischer Drucksensor (10) gemäß Anspruch 1,
wobei der mikromechanische Drucksensor (10) mindestens zwei
Verankerungsvertiefungen (16) umfasst.
3. Mikromechanischer Drucksensor (10) gemäß Anspruch 2,
wobei benachbarte Verankerungsvertiefungen (16) innerhalb des
Siliziumsubstrats (11) miteinander verbunden sind.
4. Mikromechanischer Drucksensor gemäß Anspruch 2,
wobei benachbarte Verankerungsvertiefungen (16) innerhalb des
Siliziumsubstrats (11) nicht miteinander verbunden sind.
5. Mikromechanischer Drucksensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verankerungsvertiefung (16) von der rückseitigen
Oberfläche tiefer in das Siliziumsubstrat (11) reicht als die zweite Kavität (18).
6. Mikromechanischer Drucksensor (10) gemäß Anspruch 2, wobei sich die Verankerungsvertiefungen (16) in der Tiefe lediglich bis in einen Bereich zwischen der rückseitigen Oberfläche und der zweiten Kavität erstrecken.
7. Mikromechanischer Drucksensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verankerungsvertiefung (16) als um den drucksensitiven Bereich (B) umlaufender Auffanggraben (16) ausgebildet ist.
8. Mikromechanischer Drucksensoranordnung (100) umfassend:
einen mikromechanischen Drucksensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche;
einen ASIC (30), wobei der ASIC (30) in dem Verankerungsbereich (B) an eine der rückseitigen Oberfläche gegenüberliegenden vorderseitigen Oberfläche des mikromechanischen Drucksensor (10) gebondet ist;
ein Package-Substrat (60) und
Moldmasse (50), wobei der mikromechanische Drucksensor (10) und der ASIC (30) gemeinsam eingemoldet sind und die Moldmasse (50) mittels der
Verankerungsvertiefung (16) mit dem mikromechanischen Drucksensor (10) verzahnt ist.
9. Mikromechanische Drucksensoranordung (100) gemäß Anspruch 8, wobei der mikromechanische Drucksensor (10) ein mikromechanischer
Drucksensor gemäß Anspruch 7 ist;
wobei eine Film-Abdeckung (55) die rückseitige Oberfläche mindestens teilweise bedeckt, und wobei die Verbindungslöcher (17) frei von der Film-Abdeckung (55) sind.
10. Mikromechanische Drucksensoranordung (100) gemäß Anspruch 8, wobei der mikromechanische Drucksensor (10) ein mikromechanischer
Drucksensor gemäß Anspruch 7 ist;
wobei eine Film-Abdeckung (55) die rückseitige Oberfläche mindestens teilweise und die Verbindungslöcher (17) komplett bedeckt und die Film-Abdeckung (55) eine wasserdichte, diffusionsoffene Membran ist.
11. Mikromechanische Drucksensoranordnung gemäß Anspruch 8,
wobei die Moldmasse (50) ein Spritzguss ist, der auf der rückseitigen Oberfläche zumindest teilweise im Verankerungsbereich (B) vorgesehen ist und in dem drucksensitiven Bereich (A) zumindest teilweise fehlt.
12. Mikromechanische Drucksensoranordnung gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, wobei die Verankerungsvertiefung (16) bis in den ASIC reicht.
13. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors (10), aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines MEMS-Wafers mit einem Siliziumsubstrat (11) und einem in dem Siliziumsubstrat (11) in einem drucksensitiven Bereich (A) des MEMS- Wafers ausgebildeten Sensorkern mit einer Sensormembran (12), wobei an der Sensormembran (12) eine erste Kavität (13) ausgebildet ist;
Bereitstellen eines weiteren Wafers;
Bonden des MEMS-Wafers mit dem weiteren Wafer an einer vorderseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers in einem den drucksensitiven Bereich (A) umschließenden Verankerungsbereich (B) des MEMS-Wafers;
Ätzen des MEMS-Wafers von einer der vorderseitigen Oberfläche
gegenüberliegenden rückseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers, wobei beim Ätzen eine zweite Kavität (18) in dem drucksensitiven Bereich (A) ausgebildet wird, die den Sensorkern freistellt, und wobei in dem Verankerungsbereich (B) mindestens eine Verankerungsvertiefung (A) ausgebildet wird; und
Einmolden des MEMS-Wafers gemeinsam mit dem weiteren Wafer unter Verwendung eines Molds (50), wobei die Moldmasse (50) in die
Verankerungsvertiefung greift und so die Moldmasse (50) mit dem MEMS-Wafer verzahnt.
14. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors gemäß Anspruch 12, wobei das Einmolden ein Aufbringen eines Filmmolds (55) auf der rückseitigen Oberfläche des MEMS-Wafers beinhaltet.
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